Efekt Seebecka: opis, wyjaśnienie i zastosowanie

Główny sposób wytwarzania dużych ilości energii elektrycznej jest obecnie realizowany ze względu na zjawisko indukcji elektromagnetycznej, które polega na mechanicznym ruchu przewodnika w polu magnetycznym. Istnieje jednak inny sposób na uzyskanie tego rodzaju energii: wykorzystanie temperatury. Aby zrozumieć istotę tego procesu, należy wziąć pod uwagę efekt Seebecka.

Procesy termoelektryczne

W fizyce wyrażenie to odnosi się do procesów natury odwracalnej, które wiążą się ze zjawiskiem transferu ładunku (prąd elektryczny) i ciepła (przewodność cieplna). Istnieją trzy różne zjawiska termoelektryczne, które są ze sobą powiązane. To są efekty:

• Seebeck;
• Peltier;
• Thomson (Kelvin).

Należy zauważyć, że efekt Joule'a, który jest promieniowaniem przewodnika ciepła, gdy przepływa przez niego prąd, nie jest ujęty na powyższej liście, ponieważ jest to proces nieodwracalny.

Odkrycie Thomasa Johanna Seebecka

W 1821 roku estońsko-niemiecki fizyk Thomas Seebeck przeprowadził jeden interesujący eksperyment: połączył ze sobą dwie płyty, które zostały wykonane z różnych materiałów (bizmutu i miedzi) w zamkniętej pętli. Potem podgrzał jeden z kontaktów. Naukowiec zauważył, że igła magnetyczna kompasu, która znajdowała się w pobliżu obwodu przewodzącego, zaczęła zmieniać kierunek. W rezultacie naukowiec zdecydował, że dwa materiały (miedź i bizmut) są różnie spolaryzowane w wyniku działania ciepła, dlatego określił otwarty efekt jako termomagnetyczny, a nie termoelektryczny.

Następnie duński naukowiec Hans Oersted podał prawidłowe wyjaśnienie efektu odkrytego przez Seebecka, nazywając go procesem termoelektrycznym.

Esencja efektu otwartego

Z powyższego akapitu można samodzielnie wywnioskować, że jest to zjawisko termoelektryczne. Jego istota jest następująca: jeśli połączysz dwa dowolne materiały ze sobą w jednym obwodzie i poddasz ich kontakty różnicy temperatur, wtedy prąd przepłynie w obwodzie.

Należy zauważyć, że aby zaobserwować ten efekt, muszą być spełnione następujące warunki:

• Obecność obwodu zamkniętego (w obwodzie otwartym nie występuje prąd elektryczny).
• Obecność kontaktu z dwóch różnych metali (jeśli kontaktujące się z nimi przewody są wykonane z tego samego materiału, wówczas nie zaobserwuje się żadnej potencjalnej różnicy). Te materiały mogą być takimi parami jak metal i inny metal, metal i półprzewodnik lub dwa półprzewodniki różnych typów (p i n).
• Obecność różnicy temperatur między dwoma stykami przewodów. Ta różnica leży u podstaw zjawiska EMF (siła elektromotoryczna). Zauważ, że jest to kontakt dwóch materiałów, które powinny być ogrzewane (chłodzone), a nie żadnego z nich.

Fizyczne wyjaśnienie efektu

Opisany efekt termoelektryczny jest dość skomplikowanym zjawiskiem. Aby to zrozumieć, należy rozważyć układ złożony z połączonych przewodów miedzianych i żelaznych. Zwróć uwagę na procesy zachodzące w strefie kontaktu nagrzanego Cu-Fe. Pozyskując dodatkową energię kinetyczną, elektrony w obszarze grzewczym wytwarzają wyższe "ciśnienie" gazu elektronowego, a zatem mają tendencję do wydostawania się z niego do zimniejszego końca obwodu. Przeciwnie, kontakt Cu-Fe, który jest chłodzony, powoduje utratę energii kinetycznej nośników ładunku, co prowadzi do zmniejszenia ciśnienia, które wytwarzają w strefie kontaktowej. Ten ostatni fakt prowadzi do przyciągania wolnych nośników ładunku do zimnego regionu.

Gdyby metale w zetknięciu były takie same, wówczas prędkości dryfu elektronów w wyniku różnicy temperatur byłyby takie same, a ich kierunki w każdym przewodzie byłyby przeciwne, to znaczy nie powstałaby różnica potencjałów. Ale ponieważ metale mają inny charakter, reagują różnie na ciepło (zmiana "ciśnienia" elektronów i prędkość ich dryftu są różne dla Fe i Cu). To jest powód pojawienia się pola elektromagnetycznego w strefie kontaktu.

Zauważ, że wyjaśniając fizykę procesu, zastosowano analogię z gazem idealnym.

Kierunek wynurzającego się prądu termicznego, jak również jego wielkość, zależy od rodzaju metali, różnicy temperatur styków, a także od charakterystyki samego obwodu elektrycznego.

Jeśli weźmiemy pod uwagę fizykę procesu dla pary metal-półprzewodnik, to nie będzie ona inna od tej dla rozpatrywanej pary metal-metal. Zastosowanie różnicy temperatury do dwóch metalowych styków z półprzewodnikiem w tym ostatnim powoduje przepływ elektronów (typu n) lub otworów (typu p) z gorącego do zimnego obszaru, co prowadzi do pojawienia się potencjalnej różnicy.

Jeśli różnica temperatur nie zostanie utrzymana z powodu usunięcia ciepła z zimnej strefy i jej doprowadzenia do gorącego zestyku, to w obiegu szybko ustabilizuje się równowaga termodynamiczna, a prąd przestaje płynąć.

Matematyczny opis rozpatrywanego zjawiska

Po zrozumieniu, jaki jest efekt Seebecka, możesz przejść do kwestii jego opisu matematycznego. Tutaj główną wielkością jest tak zwany współczynnik Seebecka. Wyraża się to za pomocą następującego wzoru:

S _AB = (V2-V1) / (T2-T1) = ΔV / ΔT.

Tutaj V ₂ i V ₁ są wartościami potencjałów elektrycznych w obszarze styków gorących i zimnych, T _2- T ₁ są różnicami temperatur tych styków, A i B są dwoma materiałami rozpatrywanego obwodu zamkniętego.

Fizyczne znaczenie współczynnika S _AB polega na tym, że pokazuje on, jaki rodzaj emf można uzyskać, stosując różnicę temperatur do styków równą 1 kelwin. Typowe wartości S _AB dla nowoczesnych materiałów termoelektrycznych wynoszą kilkadziesiąt lub setki mikrowoltów na kelwin.

Współczynnik S _AB nie jest stałą dla przewodów A i B, zależy od temperatury.

Wydajność procesu

Jest to najciekawszy i najbardziej istotny problem dotyczący rozważanego efektu termoelektrycznego. Jeśli, stosując różnicę temperatur do obwodu, możliwe jest wytwarzanie energii elektrycznej, wówczas to zjawisko może być stosowane zamiast zwykłych generatorów opartych na indukcji elektromagnetycznej. Wniosek ten jest prawidłowy, jeśli skuteczność efektu Seebecka jest wystarczająco wysoka.

Aby oszacować wydajność, zwykle używa się następującego wyrażenia:

Z * T = (S _AB ) ² * T / (ρ * λ).

Tutaj ρ jest rezystywnością elektryczną, λ jest współczynnikiem przewodności cieplnej, Z jest współczynnikiem efektywności zjawiska termoelektrycznego.

Wyrażenie to jest łatwe do zrozumienia: im większy jest współczynnik Seebecka, tym większa mobilność nośnika (mniejszy opór) i niższe przewodnictwo cieplne materiału (pomaga to w wyrównaniu gradientu temperatury poprzez transfer ładunku i ruchy fononów sieciowych) .

Wartości Z * T dla metali są zwykle niskie, ponieważ λ jest duże. Z drugiej strony, izolatory również nie mogą być używane z powodu ich ogromnych wartości ρ. Złotym środkiem było użycie półprzewodników.

Obecnie dla różnych temperatur uzyskuje się wartości Z * T≈1, co oznacza, że: około 10% zużytego ciepła jest zamieniane na energię elektryczną (sprawność = 10%). Aby ten efekt był w stanie konkurować z nowoczesnymi sposobami wytwarzania energii elektrycznej, konieczne jest opracowanie materiałów, dla których Z * T będzie 3-4.

Gdzie użyć tego efektu

Najbardziej popularnym kierunkiem jego stosowania są przyrządy do pomiaru temperatury, zwane termoparami. Jeśli znana jest temperatura jednego końca termopary (pomieszczenia), to poprzez zanurzenie jej drugiego końca w ciele, której temperaturę należy wyznaczyć i zmierzyć wynikowy emf, można łatwo znaleźć nieznaną wartość.

Według najnowszych doniesień dwie niemieckie firmy samochodowe (Volkswagen i BMW) podają, że zaczęły stosować ten efekt w celu zwiększenia wydajności silnika benzynowego. Chodzi o wykorzystanie ciepła emitowanego z rury wydechowej w celu wytworzenia termoelektryczności. Według przedstawicieli tych firm, w ten sposób udało im się zmniejszyć przebieg gazu o 5%.

Seria sondy Voyager, której misją jest badanie przestrzeni wokół nas, wykorzystuje efekt Seebecka do zasilania elektroniki. Faktem jest, że baterie słoneczne poza orbitą Marsa nie mogą być używane ze względu na niską gęstość energii słonecznej. Na pokładzie Voyagera generator termoelektryczny jest instalowany na izotopach plutonu: radioaktywny tlenek plutonu rozkłada się wraz z wydzielaniem ciepła, które jest wykorzystywane przez parę materiałów półprzewodnikowych (SiGe) do konwersji na energię elektryczną.

Efekt wirowania

Niedawno naukowcy odkryli interesujące zjawisko: jeśli kontakt magnetyczny pary Ni-Fe jest ogrzewany, elektrony w całym materiale są zorientowane w pewien sposób, co tworzy pole magnetyczne. Zjawisko to nazywane jest efektem spinowym Seebecka. Może służyć do tworzenia pól magnetycznych bez udziału prądu elektrycznego.

Efekt Peltiera

Tak nazywa się fenomen odkryty w 1834 roku przez Francuza Jean Peltiera. Jego istota polega na tym, że jeśli prąd elektryczny przepływa przez styk różnych materiałów, to albo nagrzewa się albo stygnie w zależności od kierunku ruchu nośników ładunku. Jest on używany w tak zwanej komórce Peltiera, która jest w stanie ogrzać lub ochłodzić otaczające obiekty, na przykład wodę, gdy jest ona podłączona do różnicy potencjałów (obwodu elektrycznego).

Tak więc efekty Peltiera i Seebecka są odwrotne do siebie.

Thomson Effect (Kelvin)

Znajduje się również na liście zjawisk termoelektrycznych. Został otwarty przez Lorda Kelvina (William Thomson) w 1851 roku. Łączy zjawiska obserwowane przez Peltiera i Seebecka. Istota efektu Thomsona jest następująca: jeśli na końcach przewodu zostanie wytworzona inna temperatura, a następnie zostanie przyłożone napięcie, przewodnik zacznie wymieniać ciepło z otoczeniem. Oznacza to, że może go nie tylko przydzielić, ale także pochłonąć, co zależy od polaryzacji potencjałów i różnicy temperatur na końcach.

Różnica tego efektu od dwóch poprzednich polega na tym, że jest on realizowany na jednym, a nie na dwóch różnych przewodach.

Wszystkie trzy efekty termodynamiczne są matematycznie powiązane ze sobą.